宋德龍 劉剛 吳文蕾 郁葵 徐文超 嚴(yán)浩
1 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
2 上海東富龍愛瑞思科技有限公司
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展,生物醫(yī)藥技術(shù)水平得到了有效提升,微電子等技術(shù)也得到快速發(fā)展,在醫(yī)藥制造過程中,隔離器得到了有效的應(yīng)用。國內(nèi)隔離器技術(shù)尚屬起步階段,大多用于無菌灌裝或分裝設(shè)備上,自主生產(chǎn)的隔離器設(shè)備較少,對裝置氣流分布情況都未進行系統(tǒng)研究,而隔離器內(nèi)部氣流組織直接影響潔凈效果,氣流較差時,會造成渦流、亂流等現(xiàn)象,因此隔離器產(chǎn)品內(nèi)部氣流組織不容忽視。
雖然計算流體動力學(xué)在氣流模擬領(lǐng)域運用比較成熟,但利用CFD 方法對隔離器內(nèi)部氣流模擬的情況較少。于穎[1]等人對底部回風(fēng)隔離器進行氣流模擬研究,主要在回風(fēng)方式和外壁傾角上進行了改進設(shè)計。王華鵬[2]通過模擬研究了具有單側(cè)回風(fēng)方式的隔離器,并提出在底部架設(shè)空層方式,研究主流區(qū)氣流的影響。目前對隔離器研究側(cè)重于回風(fēng)方式的選取,與整體結(jié)構(gòu)改造,均未研究分析回風(fēng)口流量失衡問題以及對回風(fēng)管內(nèi)部進行改造的方式。
隔離器可分為不同功能設(shè)備單元,結(jié)構(gòu)相似,本文以采用頂送側(cè)回通風(fēng)方式的隔離器灌裝段為對象,利用CFD 方法進行研究,分析隔離器灌裝段內(nèi)部氣流分布狀況,對局部區(qū)域氣流組織較差問題進行研究,統(tǒng)計分析該區(qū)域回風(fēng)口流量比例,并提出對相應(yīng)區(qū)域的回風(fēng)管內(nèi)架設(shè)小隔片、罩板、擋片等方式進行改造,以及考慮管路阻力及能耗問題,最終擇優(yōu)采用加設(shè)擋片的方式,通過模擬驗證,其能夠有效改變回風(fēng)管上回風(fēng)口的流量比例,使其趨于理論設(shè)計,隔離器灌裝段內(nèi)部達到較好的氣流組織,保障制藥生產(chǎn)環(huán)境,為隔離器的優(yōu)化提供參考。
本研究隔離器灌裝段頂部鋪滿 FFU,在底部兩側(cè)開設(shè)回風(fēng)口,外部裝設(shè)有5 個回風(fēng)管,并在回風(fēng)管裝設(shè)過濾器和回風(fēng)機,一部分回風(fēng)排出,一部分回到隔離器頂部靜壓箱與空調(diào)處理過的新風(fēng)進行混合,再送入工作區(qū)。并且隔離器灌裝段兩端與其他功能隔離器單元相連,進行物料傳遞。其送風(fēng)風(fēng)速,以及各回風(fēng)管回風(fēng)量均已確定,工作區(qū)壓力有一定的范圍要求,兩端相連的其他單元壓力已定。在滿足參數(shù)要求下(見表1),進行模擬計算,發(fā)現(xiàn)回風(fēng)口流量相差較大,局部區(qū)域氣流組織較差,氣流傾斜較大問題。本文將采用對該區(qū)域相應(yīng)的回風(fēng)管進行改造的方式,以此改善氣流組織,達到較好的控制環(huán)境。
表1 隔離器灌裝段工況參數(shù)
該隔離器灌裝段簡化后的主體(工作區(qū))的幾何尺寸為:長(x)×寬(y)× 高(z)=3.4 m×1 .8 m×1 .37 m,而實際模型比較復(fù)雜,為了便于模擬計算以及提高計算速度,忽略了FFU 搭接邊緣,認為布滿比 100%,以均流膜截面為送風(fēng)口,不考慮靜壓箱混合區(qū)域等,其基本結(jié)構(gòu)以及布置如圖1 所示。
圖1 隔離器灌裝段幾何模型及平面布置示意圖
本文使用Fluent 軟件,采用Realizablek-ε模型對隔離器內(nèi)部氣流進行模擬,主要控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、湍流動能方程、湍流耗散量ε方程、能量方程等,通過數(shù)值計算求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值[3]。針對本研究,作如下假設(shè):1)隔離器內(nèi)部氣流低速流動,且密度變化不大,看作不可壓縮流體且符合Boussinesq 假設(shè)。2)內(nèi)部流動為穩(wěn)態(tài)流動。3)除鼠洞外,不考慮漏風(fēng)影響,認為裝置氣密性良好。其通用方程[4]可表達為:
式中:φ通量變量速度矢量;Γ 通用方程擴散系數(shù);S通用方程源項。
當(dāng)φ為不同的物理量時,則上述通用方程演化成對應(yīng)物理量的控制方程。
由于隔離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則,故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,對于回風(fēng)管進行單獨網(wǎng)格劃分,采用較小的網(wǎng)格尺寸,對主體網(wǎng)格劃分,采用相對較大的尺寸,再進行網(wǎng)格合并,對局部區(qū)域如回風(fēng)口等作加密處理。
頂部采用速度入口,大小為 0.45 m/s,工作區(qū)要求風(fēng)速范圍在(0.45±20%)m/s。兩端的壓力確定,左邊單元為10 Pa,右邊單元為40 Pa?;仫L(fēng)管根據(jù)所對應(yīng)的倉位計算回風(fēng)量。模型壁面采用無滑移壁面條件。
從圖 2 工作面壓力,以及斷面速度矢量圖可以看出,工作區(qū)壓力26.43~26.90 Pa,壓力符合要求,即保證了生產(chǎn)環(huán)境的壓力,而工作面附近氣流流線傾斜較大,平行度較差,從回風(fēng)管 1 對應(yīng)的區(qū)域可知,k1-3 附近的流線密集。
圖2 z=0.6 m 水平面壓力云圖及y=1 m 截面速度矢量圖
從表 2 測點統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出,超出風(fēng)速范圍的測點數(shù)量較多,不能滿足工作區(qū)風(fēng)速要求,速度方差較大,亂流度較大。流線傾角范圍較大,與 Z 負軸的夾角最大值為34.4°,即與水平夾角為55.6°,流線的平行度較差。
表2 監(jiān)測點統(tǒng)計與計算數(shù)據(jù)
回風(fēng)口均布兩側(cè),按理論設(shè)計,各回風(fēng)口流量應(yīng)當(dāng)均等,比例一致。但從表 3 看出,風(fēng)管 1(總流量1389 m3/ h)的三個回風(fēng)口的風(fēng)量的差別較大,比例極不平衡,距離回風(fēng)立管較遠的 k1-1 流量最小,離立管最近的k1-3 流量最大。這導(dǎo)致流線傾斜較大,也使回風(fēng)口前區(qū)域的速度大小差別較大。
表3 風(fēng)管管道1 的三個回風(fēng)口流量比例
為解決回風(fēng)口流量比例相差較大,氣流較差等問題,以改善氣流組織,保障藥品生產(chǎn)環(huán)境,本節(jié)將采用對回風(fēng)管改造的方式,并以單個回風(fēng)管(回風(fēng)管 1,各回風(fēng)口尺寸長×寬為510 mm×106 mm)為研究對象。
1)在回風(fēng)口處增加阻尼,回風(fēng)口處ξ分別為4.5和100,記為工況1,工況2。
2)由于 k1-1 回風(fēng)量極小,現(xiàn)只對 k1-2 與 k1-3 進行改變,加小隔片的尺寸為回風(fēng)口 1.1 倍寬,1/4 倍長,從回風(fēng)口左處與管道相連,與回風(fēng)口呈 15° 角,裝設(shè)在管道內(nèi),記為工況 3,見圖3(a)。
3)加罩板的形式,其對于回風(fēng)口呈 15° 角,左連風(fēng)管,以及上下與風(fēng)管封閉,僅右側(cè)與管道相通,對于口k1-3 前的罩板,其正投影面的最右邊線與口k1-3 最右邊線重合,而口 k1-2 前的罩板到口 4/5 處,記為工況4,見圖3(b)。
4)對于加擋片的形式,其與風(fēng)口平行,較風(fēng)口 1.5倍寬,1.1 倍長,與口 k1-3 相距 15 mm,與 k1-2 相距20 mm,記為工況5,見圖3(c)。
進行模擬并統(tǒng)計,根據(jù)管道總壓差,與管道流量,以及通過公式:ΔP=ξρv2/ 2,計算管路平均阻尼ξ值 。其統(tǒng)計計算結(jié)果見表4。
圖3 管道1 不同的結(jié)構(gòu)形式示意圖
從表 4 可以看出,工況 1,2 增加風(fēng)口處阻尼的方式,對回風(fēng)流量比例有所改善,隨著風(fēng)口的阻尼增加,流量比例趨于一致,但是管路阻尼增加較大。工況 3,雖然對管路阻力的影響較小,但是改善作用很小。工況 4,改善作用明顯,但是造成管路不小的阻力損失。綜合來看,方式5 不僅能夠明顯改善回風(fēng)流量比例,管道ξ增加不大,而且在實際項目當(dāng)中較好實現(xiàn),只需調(diào)整擋片的距離即可靈活改變回風(fēng)口流量比例,當(dāng)與口k1-3 相距10 mm,與 k1-2 相距15 mm,由表5 可知,各回風(fēng)口流量比例接近一致。
表4 管道1 不同形式下回風(fēng)口流量比例及管路阻尼系數(shù)
表5 調(diào)整后回風(fēng)口流量比例及管路阻尼系數(shù)
采用加擋片的方式優(yōu)化后,對隔離器灌裝段整體模擬分析。從圖 4 可知,工作面的壓力在 26.24~26.53 Pa,滿足壓力要求,從速度矢量圖看出,工作面附近速度方向基本保持豎直向下,流線密集程度均勻,氣流組織較好。從表6,7 可以看出,回風(fēng)流量比例基本接近,超出速度范圍的測點數(shù)量為 0,速度方差較小,亂流度較小。與 Z 負軸的夾角范圍較小,且最大值為19.63°,即與水平夾角最小值為70.37°,角度方差較小,平行度較好。從測點速度大小及流線傾角的對比圖(如圖5)可知,采用管道內(nèi)部加擋片的形式,速度大小波動較小,速度較為平均,并且完全滿足速度要求,角度差異較小,均基本接近豎直方向。總體來看,隔離器灌裝段優(yōu)化后,明顯改善回風(fēng)管上各回風(fēng)口的流量比例,使各回風(fēng)口流量趨于一致,接近理論設(shè)計,進而改善工作區(qū)氣流組織,保證了藥品生產(chǎn)環(huán)境。
表6 優(yōu)化后監(jiān)測點統(tǒng)計與計算數(shù)據(jù)
圖4 優(yōu)化后z=0.6 m 水平面壓力云圖及y=1 m 截面速度矢量圖
表7 優(yōu)化后風(fēng)管管道1 的三個回風(fēng)口流量比例
圖5 優(yōu)化前后測點速度值與角度值對比圖
以上數(shù)值模擬分析比較了不同結(jié)構(gòu)的回風(fēng)管形式情況,以及隔離器灌裝段采用這種優(yōu)化方式前后的情況,可以得出以下結(jié)論:
1)在對回風(fēng)管改造時,采用在回風(fēng)管內(nèi)部加擋片的形式,能夠有效改變回風(fēng)口流量比例,并且不會造成過大的阻力損失,是一種很好的改進措施。
2)即便隔離器灌裝段底部兩側(cè)開設(shè)回風(fēng)口,但因回風(fēng)管的布置與結(jié)構(gòu),各回風(fēng)口流量相差較大,偏離理論設(shè)計,導(dǎo)致氣流傾斜較大,也導(dǎo)致該區(qū)域附近速度差異較大,氣流組織較差。在采用管道內(nèi)加擋片的形式對隔離器灌裝段優(yōu)化后,不會帶來過多管路阻力損失而增加不必要能耗,能使各回風(fēng)口流量比例接近一致,趨于理論設(shè)計,腔內(nèi)氣流就近排出,速度滿足工作區(qū)要求,氣流接近豎直方向,速度大小與流線傾角波動范圍較小,亂流度較小,平行度較好,有較好的氣流組織,能夠保證藥品灌裝時的控制環(huán)境。